Cacat dalam Zat Padat

MAKALAH

Imperfections in Solids (Cacat Kristal)

Disusun untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Sifat dan Struktur Bahan

Dosen Pengampu : Agus Jauhari, Drs, M.Si

Disusun oleh, Agus Faizal Muarif

:

1104927

Romi Nugraha

:

1100461

FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA BANDUNG 2014

IMPERFECTION IN SOLIDS

KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, yang telah memberikan rahmat dan hidayah-NYA sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah ini. Shalawat serta salam semoga tetap terlimpah curahkan kepada Nabi besar kita yakni Nabi Muhammad saw, kepada keluarganya, para sahabatnya, tabiin-tabiatnya, dan kepada kita semua selaku umatnya. Adapun makalah yang dibuat berjudul Imperfections in Solids (Cacat Kristal), diajukkan untuk memenuhi tugas salah satu mata kuliah Sifat dan Struktur Bahan dan mudah-mudahan laporan ini bisa memberi manfaat umumnya untuk semua pembaca dan khusunya untuk saya selaku penyusun dari laporan. Dalam penyusunan makalah ini penulis menyadari sepenuhnya bahwa makalah ini tersusun bukan semata-mata hasil usaha sendiri, melainkan berkat bimbingan,bantuan, masukan dan motivasi dari semua pihak. Untuk itu pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Agus Jauhari, Drs, M.Si , selaku Dosen mata kuliah Pendahuluan Fisika Zat Padat yang telah membimbing dan menugaskan melalui perkuliahan, sehingga pengetahuan dan keterampilan penulis bertambah dalam membuat sebuah makalah. 2. Kepada kedua orang tua, teman-teman dan rekan-rekan seangkatan yang telah memotivasi penulis dalam menyusun makalah ini. 3. semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu per satu sehingga makalah ini dapat diselesaikan dengan baik. Penulis menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kesempurnaan baik segi isi maupun redaksinya dikarenakan keterbatasan yang penulis miliki, maka dari itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari semua pihak, agar dikemudian hari saya selaku penulis dapat menyusun makalah atau karya tulis kembali dengan lebih baik. Akhir kata, semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi semua. Amin Bandung, Maret 2014 Penulis

i


DAFTAR ISI

ii


iii


BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sejauh ini diasumsikan bahwa material Kristal dalam skala atomic tersusun secara sempurna. Kenyataanya, kristal ideal yang sempurna tidak ada, setiap kristal akan memiliki sejumlah variasi cacat kristal. Meskipun begitu cacat kristal tidak hanya merugikan, cacat kristal terkadang sengaja di buat untuk mendapatkan sifat tertentu dari suatu material sesuai kebutuhan. Sifat material sangat dipengaruhi oleh adanya ketidaksempurnaan /cacat Kristal. Akibatnya, sangat penting mempelajari tipe-tipe cacat Kristal dan pengaruh cacat Kristal terhadap sifat material. Contoh, sifat mekanik logam murni berubah ketika menjadi alloy. Seperti pada sterling silver (92,5 % silver dan 7,5% tembaga) lebih keras dan kuat daripada silver murni. Mengingat pentingnya bahasan tentang cacat kristal dalam keilmuan material science, maka makalah ini di susun. 1.2 Rumusan masalah Berdasarkan latar belakang diatas dan untuk memfokuskan pembahasan, maka kami merumuskan masalah dalam makalah ini mencakup hal-hal berikut : 1. Bagaimanakah penjelasan cacat kristal kekosongan (Vacancy) dan sisipan (Self-Interstitial) ? dan Bagaimanakah cara enghitung jumlah kesetimbangan cacat kekosongan (Vacancy) dari material pada temperatur tertentu ? 2. Bagaimanakah ketakmurnian dan larutan material solid (solid solution) ? 3. Bagaimana cara menghitung massa dan berat atomik dari dua atau lebih element pada alloy logam dan menghitung persen berat dan persen atomik untuk setiap elemen ? 4. Untuk masing-masing dislokasi sisi, ulir, dan campuran: a. Bagaimanakah penjelasan dan penggambaran dislokasi ? b. Dimanakah lokasi garis dislokasi ? c. Bagaimana cara mengindikasi arah dari garis dislokasi ? 5. Bagaimana penjelasan Interfacial defect (cacat permukaan) ? 6. Bagimanakah penjelasan bulk atau volume defect (cacat volume)? 7. Bagaimanakah microskop examination dan bagaimana teknik microskop bekerja ? 8. Bagaimana menghitung ukuran bulir (grain size determination) ?

1


1.3 Tujuan Dari rumusan dan batasan masalah yang sudah dikemukakan di atas, maka tujuan penulisan makalah ini adalah: 1. Mengetahui penjelasan cacat kristal kekosongan (Vacancy) dan sisipan (Self-Interstitial) dan cara enghitung jumlah kesetimbangan cacat kekosongan (Vacancy) dari material pada temperatur tertentu. 2. Mengetahui ketakmurnian dan larutan material solid (solid solution). 3. Mengetahui cara menghitung massa dan berat atomik dari dua atau lebih elemen pada alloy logam dan menghitung persen berat dan persen atomik untuk setiap elemen. 4. Untuk masing-masing dislokasi sisi, ulir, dan campuran: 5. Mengetahui penjelasan dan penggambaran dislokasi. 6. Mengetahui lokasi garis dislokasi. 7. Mengetahui cara mengindikasi arah dari garis dislokasi. 8. Mengetahui Interfacial defect (cacat permukaan). 9. Mengetahui bulk atau volume defect (cacat volume). 10. Mengetahui Microskop examination dan bagaimana teknik microskop bekerja. 11. Mengetahui cara menghitung ukuran bulir (grain size determination). 1.4 Manfaat Adapaun manfaat dari penulisan makalah ini yaitu : 1. menambah ilmu tentang cacat Kristal, utamanya untuk mahasiswa pendidikan fisika KBK material. 2. Memahami cacat Kristal lebih dalam sebagai bekal untuk tugas akhir. 1.5 Metode Pengkajian Makalah ini disusun dengan menggunkan metode study literature, yaitu penulis membaca teori mengenai fenomena cacat kristal dari buku sumber yaitu Material Science and engineering oleh William D. Callister, Jr. kemudian mendiskusikannya secara kelompok dan menyajikannya dalam makalah ini.

2


BAB II ISI 2.1 Cacat Kristal Kekosongan (Vacancies) dan sisipan celah (self-interstitial) Vacancy adalah cacat Kristal yang paling sederhana yang terjadi karena atom yang seharusnya terdapat pada kisi hilang. Semua material Kristal memiliki vacancy, tidak mungkin menciptakan Kristal yang tidak memiliki cacat jenis ini. Terdapatnya cacat titik dijelaskan dengan termodinamika dan cacat titik ini akan meningkatkan entropi dari Kristal. Persamaan yang menyatakan number keseimbangan (equilibrium number) cacat titik. (

)

N = jumlah atomic sites total Qv = energy yang diperlukan untuk pembentukan vacancy K = konstanta Boltzmann (1,38 x 10-23 J/atom-K atau 8,62 x 10-5 eV/atomK) T = temperature (K) Dari persamaan ini, diketahui bahwa jumlah vacancy meningkat secara eksponensial terhadap temperature. Untuk kebanyakan logam, fraksi vacancy Nv/N pada suhu dibawah titik leleh sekitar orde 10-4 , sehingga dalam kisi ada satu yang kosong dari 10.000 atom.

Sisipan celah (self-interstitial) adalah masuknya atom dari Kristal pada daerah sempit (interstitial site) yang biasanya kosong (tidak ditempati atom). Dalam logam, sisipan celah membuat distorsi yang besar pada kisi karena atom pengisi lebih besar dari luasan celah itu sendiri. Jenis cacat ini sangat kecil porsinya yang jauh lebih kecil dari vacancy. 2.2 Impurities in solids (ketakmurnian dalam bahan solid) dan Solid Solution (larutan Padat) 2.2.1 Impurities in solids (ketakmurnian dalam bahan solid) 3


Tidak ada logam murni yang hanya terdiri dari satu jenis atom saja, ketakmurnian oleh atom lain (pengotor) akan selalu ada dan bisa menjadi cacat titik Kristal. Dengan teknik canggih pun, sangat sulit menyuling logam hingga kemurniannya mencapai 99,9999%. Sekitar 1022 -1023 ketakmurnian atom akan ada dalam 1 m3 material. Logam yang tak murni, dimana atom unsur lain sengaja disispkan disebut alloy. Alloy biasanya digunakan untuk meningkatkan kekuatan kekuatan mekanik dan daya tahan terhadap korosi. Contohnya sterling silver (92,5 % silver dan 7,5% tembaga). Perak murni bersifat tahan korosi tetapi sangat lembek. Penambahan unsur tembaga meningkatkan kekuatan mekaniknya dengan menurunkan sedikit daya tahannya terhadap korosi. Penambahan ketakmurnian atom pada metal akan menhasilkan bentuk solid solution atau second phase bergantung dari jenis atom asingnya (pengotor) . Istilah–istilah dalam ketakmurnian dan solid solution.  Solute adalah elemen atau campuran yang jumlahnya sedikit.  Solvent / host atoms adalah elemen atau campuran yang jumlahnya besar/banyak. 2.2.2 Solid Solution (larutan Padat) Larutan Padat terbentuk ketika atom solute dimasukan pada solvent / host material. Dalam larutan padat tidak ada perubahan struktur Kristal dan tidak terbentuk struktur yang baru. Seperti ketika mencampur air dengan alcohol akan terbentuk molekul campuran dan komposisinya homogen. Larutan padat juga bersifat homogen dimana atom pengotor secara acak tersebar merata dalam material padat. Ketakmurnian cacat titik dalam larutan padat ada dua jenis, substitutional dan interstitial. Pada cacat titik substitutional , solute atau pengotor akan mengganti/mensubstitusi host atoms.

Faktor-faktor dari atom pengotor dan pelarut yang menentukan derajat dissolve (ketidak larutan) : 1. Factor Ukuran atom (Atomic Size Factor), larutan padat akan dapat mengakomodasi solute dalam jumlah besar jika perbedaan atomic radii Antara solute dan solvent kurang dari 15%. 4


2. Struktur kristal, struktur kristal solute dan solvent harus sama agar keteralrutanya tinggi. 3. Elektronegativitas, semakin elektropositif satu bagian dan elektronegatif bagian lainya maka semakin besar kemungkinan terbentuk campuran intermetalik dari substitutional larutan padat. 4. Valensi, logam yang valensinya lebih tinggi akan sukar larut sedangkan yang valensinya kecil akan mudah terlarut. Contoh larutan padat antara tembaga dan nikel. Dua material ini saling melarutkan satu sama lain dalam semua proporsi. Atomic radii untuk tembaga dan nikel secara berurutan sebesar 0,128 nm dan 0,125 nm. keduanya memiliki struktur Kristal FCC dan elektronegatifitasnya 1,9 dan 1,8 serta electron valensinya untuk tembaga +1 (terkadang +2) dan untuk nikel +2. Untuk interstitial larutan solid, atom pengotor mengisi kekosongan atau celah pada host atom. Pada logam yang memiliki atomic packing factor besar, posisi interstitial (luas celah) akan kecil. Akibatnya, diameter atom pengotor (impurity interstitial) harus lebih kecil daripada host atom. Normalnya, konsentrasi maksimum dari atom pengotor (interstitial impurity atoms) yang diijinkan rendah ( kurang dari 10%). Contoh carbon adalah interstitial larutan padat ketika ditambahkan kedalam besi. Maksimum konsentrasi karbon sekitar 2%, atomic radius carbon (0,071 nm) lebih kecil dari besi (0,124 nm). 2.3 Specification of composition Sangat penting menyatakan elemen utama alloy dalam composition atau konsentrasi. Untuk itu, terdapat dua cara menyatakan yaitu weigt (or mass) percent (persen berat) dan persen atom. Persen berat (wt%) adalah berat elemen utama relative terhadap berat total alloy. Untuk alloy yang berisi dua atom , atom 1 dan atom 2, wt% untuk atom 1 dinyatakan C1 = x 100% m1 dan m2 adalah massa atau berat elemen 1 dan 2. Persentase atom (at%) adalah jumlah mol dari elemen terhadap total mol dari elemen dalam alloy. Jumlah mole elemen 1 nm1 dirumuskan

dan A1 adalah massa (gram) dan berat atom elemen 1. Konsentrasi persen atom elemen 1 alloy yang terdiri dari elemen 1 dan 2 dirumuskan = x 100%

5


Composition conversions Hubungan Antara berat atom ( C1 dan C2) terhadap persen atom ( dan berat atom A1 dan A2 dinyatakan dengan =

x 100%

=

x 100%

C1 =

x 100%

C2 =

x 100%

dan

)

Dari persamaan ini bisa kita ketahui bahwa C1 + C2 = 100 + = 100 Konversi dari persen berat ke persen per volume (wt% to kg/m3) (

)

(

)

Kerapatan alloy

Berat atomic rata-rata

2.4 Dislokasi Garis, Ulir, dan Campuran 2.4.1 Dislokasi – Cacat Garis (Linear defects)

6


Dislokasi adalah linear atau cacat satu dimensi yang terlihat dari atom atom yang misalign (tidak lurus). Seperti pada gambar 4.3 terdapat bagian tambahan bidang atom, atau setengah bidang, di ujung yang menjadi akhir Kristal. Cacat seperti ini disebut edge dislocation yaitu cacat linear yang berpusat disekitar garis sepanjang ujung setengah bidang tambahan atom . kadang-kadang disebut juga garis dislokasi (dislocation

line) yang tegak lurus pada bidang. Disekitar daerah dislokasi garis, terdapat distorsi kisi . Atom-atom diatas garis dislokasi akan menekan bersamaan dan atom-atom di bawahnya akan tertarik sebagian; hal ini menyatakan lengkungan kecil untuk bidang vertical atom seperti mereka menekuk disekitar setengah bidang tambahan. Besar distorsi ini menurun seiring penambahan jarak dari garis dislokasi, semakin jauh akan tak terlihat dan kisi seperti sempurna. Edge dislokasi dilambangkan yang juga menandakan posisi dislokasi garis. Edge dislokasi juga dibentuk oleh setengah-bidang tambahan atom yang ditandai T . Tipe dislokasi lainya adalah screw dislocation (dislokasi ulir) yang terbentuk karena adanya shear stress yang menyebabkan distorsi seperti pada gambar.

7


Bagian atas Kristal bergeser satu atom kekanan relative terhadap bagian bawah. Distorsi atomic yang berasosiasi dengan dislokasi ulir juga linier sepanjang garis dislokasi, seperti garis A-B pada gambar 4.4b. nama dislokasi ulir diambil dari jalur spiral atau helix atau jejak melandai disekitar garis dislokasi oleh bidang atom. Juga dilambangkan dengan

.

Kebanyakan dislokasi dalam Kristal berupa campuran edge dislocation dan screw dislocation yang disebut mixed dislocation. Tiga tipe dislokasi ini ditampilkan dalam gambar 4.5.

8


Besar dan arah kisi distorsi berhubungan dengan dislokasi dinyatakan dengan Burgers vector dilambangkan b. dislokasi edge,screw dan mixed didefinisikan oleh orientasi garis dislokasi dan burgers vector. Undutk dislokasi edge, vector burgernya tegak lurus (gambar 4.3), untuk dislokasi screw vector burgersnya parallel (gamabar 4.4) dan taka ada (neither) untuk mixed. Meskipun dislokasi berubah arah dan kristalnya juga (missal dari edge menjadi mixed menjadi screw), vector burgernya akan sama pada semua titik sepanjang garis. Pada material logam, vector burger dislokasi akan ditandai oleh close-packed crystallographic direction dan besarnya sama dengan jarak interatomic. Dislokasi bisa diamati dengan mikroskop electron. Pada gambar 4.6 garis gelap adalah dislokasi

9


Dislokasi dalam material Kristal disebabkan oleh beberapa hal ; proses pengerasan (solidification), proses deformasi plastis, juga konsekuensi dari tekanan thermal akibat pendinginan yang cepat. 2.5 Interfacial defect (cacat permukaan) Cacat permukaan adalah batas dua dimensi berupa daerah pembatas antara material yang berbeda struktur kristalnya dan/atau orientasi kristalografi. Cacat permukaan diantaranya : a. External Surfaces (permukaan luar) Salah satu batas paling jelas adalah external surface yang berada di ujung Kristal. Atom di permukaan tidak diikat oleh maksimal jumlah atom terdekat sehingga keadaan energinya lebih tinggi daripada atom yang berada di dalam. Energinya dinyatakan dalam J/m2 atau erg/cm2. Untuk mengurangi energy ini, ukuran material harus diperkecil sehingga area permukaannya lebih kecil. Contoh liquid memiliki minimum surface, karena tetesannya menjadi lingkaran. b. Grain Boundaries (batas bulir) Grain boundary memisahkan dua bulir kecil atau Kristal yang memiliki perbedaan orientasi Kristal dalam material polikristal. Contohnya pada gambar 4.7. didalam daerah perbatasan, yang lebarnya hanya beberapa atom, terdapat beberapa atom yang mismatch dalam transisi orientasi Kristal dari bulir yang satu pada bulir lain yang saling berdekatan.

Derajat variasi misalignment Kristal diantara bulir berdekatan adalah mungkin. Ketika mismatch orientasi kecil, ordenya hanya beberapa derajat, maka sudut kecil batas bulir berlaku. Batas ini bisa digambarkan berupa dislokasi array. Sudut kecil batas bulir dibentuk ketika ujung dislokasi lurus seperti gambar 4.8. tipe ini disebut tilt boundary ; sudut misorientasi . Ketika sudut misorientasi parallel terhadap batas, dihasilkan twist boundary yang bisa digambarkan oleh susunan dislokasi screw.

10


Atom terikat lemah sepanjang batas bulir dan akibatnya terdapat interfacial atau batas bulir energy seperti energy permukaan. Besar energy ini adalah fungsi dari derjat misorientasi, makin besar untuk sudut batas yang besar. Batas bulir lebih reaktif secara kimia daripada bulir itu sendiri akibat batas energy. Ketakmurnian atom sering memisahkan sepanjang batas karena energy mereka lebih besar. Total energy interfasial lebih kecil pada bulir kasar daripada bulir lembut karena total area batas makin kecil. Bulir meningkat seiring peningkatan temperature untuk mengurangi total energy batas. Meskipun susunan atom tidak teratur dan sedikit ikatan regular sepanjang batas bulir, material polikristal masih sangat kuat, karena ada gaya kohesif didalam dan menyebrangi batas. Terlebih lagi, rapat specimen polikristal identic untuk single Kristal dari material yang sama. 1. Twin boundaries (batas kembar) Batas kembar adalah batas grain dimana terdapat pencerminan simetri kisi ; atom pada satu sisi batas bertempat di titik pencerminan(mirror-image) dari atom disisi lainya. Region diantara batas ini kembar. Kisi kembar dihasilkan dari perpindahan atom akibat penerapan mechanical shear forces (mechanical twins), dan juga selama perlakuan annealing heat yang diikuti deformasi. Kembar terjadi pada bidang Kristal dan pada arah spesifik yang keduanya bergantung pada struktur Kristal. Annealing twins ditemukan pada logam berstruktur FCC dan mechanical twins diamati pada logam BCC dan HCP . the twins berhubungan dengan region yang memiliki sisi lurus dan kembar dan berbeda visual contastnya daripada region tidak kembar dari bulir. 2. Miscellaneous interfacial defects Cacat Kristal lainya adalah stacking fault, phase boundaries, dan ferromagnetic domain walls. Stacking fault ditemukan pada logam FCC ketika terdapat penyela diantara ABCABCABC…. Rentetan tumpukan 11


bidang close-packed. Phase boundaries terdapat pada material multiphase ; terdapat perubahan karakteristik fisik dan/atau kimia secara mendadak. Untuk ferromagnetic dan ferrimagnetik material, batas yang memisahkan daerah yang berbeda arah magnetisasi disebut domain wall. Energy interfacial bergatung pada tipe batas yang akan bervariasi untuk setiap material. Normalnya, energy interfacial external surface terbesar dan yang terkecil domain walls. 2.6 Bulk atau Volume Defect Yang termasuk cacat volume adalah pores (lubang), cracks (retakan), foreign inclusions (masuknya benda asing), dan other phase (fase lainya). Cacat ini disebabkan selama pemrosesan dan fabrikasi. 2.7 Microskop Examination Pada saat diperlukan atau diinginkan untuk memeriksa struktur elemen dan cacat yang mempengaruhi sifat-sifat material. Beberapa struktur elemen yang berdimensi makroskopik; yaitu, mereka cukup besar untuk diamati dengan mata biasa. Sebagai contoh, bentuk dan rata-rata ukuran atau diameter butir untuk spesimen polikristalin adalah karakteristik struktural yang penting. Butir makroskopik sering terbukti pada tiang aluminium lampu jalan dan juga pada jalan Raya penjaga rel. Butir yang relatif besar yang memiliki tekstur yang berbeda dan terlihat jelas pada permukaan bagian lead yang ditunjukkan dalam gambar 4.12. Namun, kebanyakan butiran material unsur utama adalah dimensi mikroskopis, memiliki diameter yang mungkin berorde mikron, dan detailnya harus diselidiki menggunakan beberapa jenis mikroskop. Ukuran butir dan bentuk hanya dua fitur apa yang disebut mikrostruktur; ini dan karakteristik microstructural lain akan dibahas dalam bab berikutnya optik electron, dan pemindaian pemeriksaan mikroskop(scaning probe microscope) yang umumnya digunakan dalam microskop. Instrumen ini membantu dalam penyelidikan dari microstructural fitur dari semua jenis bahan. Beberapa teknik ini menggunakan peralatan fotografi dalam hubungannya dengan mikroskop; foto di mana gambar yang direkam disebut photomicrograph. Selain itu, banyak gambar microstructural gambar yang dihasilkan komputer. Pemeriksaan mikroskopis adalah alat yang sangat berguna dalam mempelajari karakterisasi dari bahan. Beberapa aplikasi penting pemeriksaan mikrostruktural adalah sebagai berikut: untuk memastikan bahwa gabungan antara sifat dan struktur (dan Cacat) dimengerti dengan baik, untuk memprediksi sifat-sifat materi setelah hubungan ini telah ditetapkan, untuk mendesain campuran dengan kombinasi properti baru, untuk menentukan apakah bahan sudah mempunyai perawatan panas yang tepat, dan untuk memastikan cara patahan mekanis.

12


Beberapa teknik yang sering digunakan dalam penyelidikan tersebut dibahas berikutnya.

Teknik mikroskopik Optical Microscopy Dengan mikroskop optik,mikroskop cahaya digunakan untuk mempelajari microstructure; optik dan sistem penerangan adalah elemen dasar. Untuk bahan yang buram dengan cahaya tampak ( semua logam dan banyak keramik dan polimer ), hanya permukaan yang menjadi pokok pada pengamatan, dan mikroskop cahaya yang harus digunakan dalam sebuah cara mencerminkan. Kontras di gambar yang dihasilkan akibat dari perbedaan dalam pandunya dari berbagai wilayah microstructure. Penyelidikan jenis ini sering disebut metallographic, sejak logam yang pertama diperiksa menggunakan teknik ini. Biasanya, berhati-hati dan permukaan teliti perlu dipersiapkan untuk mengungkap rincian penting dari microstructure. Spesimen permukaan harus menjadi dasar dan dipoles dengan halus dan selesai seperti kaca. Hal ini dilakukan dengan menggunakannyakertas ampelas dan bubukyang sangat halus secara berturutturut. microstructure ini diungkapkan oleh perlakuan permukaan menggunakan sebuah bahan reaksi kimia yang tepat dalam prosedur yang disebut etsa. Kereaktifan kimia dari butiran beberapa bahan satu fasa yang tergantung pada orientasi crystallographic. Akibatnya, dalam sebuah spesimen polycrystalline, karakteristik etsanya bervariasi dari butir ke butir. Gambar 4.13b menunjukkan bagaimana biasanya insiden cahaya dipantulkan oleh tiga terukir permukaan butir, masing-masing memiliki orientasi berbeda. Gambar 4.13a menggambarkan permukaan struktur seperti ini mungkin muncul ketika dilihat dengan mikroskop; kilauan atau tekstur setiap butir bergantung pada sifat pantulannya. Sebuah photomicrograph dari sebuah polycrystalline spesimen menunjukkan ciri-ciri yang ditampilkan pada gambar. 4.13.

13


Juga, bentuk alur kecil sepanjang batas-batas butir akibat etching. Karena atom sepanjang wilayah batas butir lebih kimia aktif, mereka larut pada tingkat yang lebih besar daripada dalam butir yang lain. Alur ini menjadi terlihat ketika melihat di bawah mikroskop karena mereka mencerminkan cahaya pada sudut yang berbeda dari butiran-butirannya sendiri; Efek ini akan ditampilkan dalam gambar 4.14a. Gambar 4.14b adalah photomicrograph dari spesimen polikristalin di mana alur batas butir ini jelas terlihat sebagai garis gelap. Ketika mikrostruktur dari paduan dua fasa diperiksa, sebuah etsa sering dipilih yang menghasilkan tekstur yang berbeda untuk setiap tahap sehingga fasa-fasa berlainan dapat dibedakan dari satu sama lain. Mikroskop Elektron Batas atas untuk pembesaran mungkin dengan sebuah optik mikroskop adalah sekitar 2000 kali. Akibatnya, beberapa elemen struktural terlalu halus atau kecil untuk memungkinkan pengamatan dengan menggunakan mikroskop optik. Dalam situasi seperti mikroskop elektron yang mampu jauh lebih tinggi perbesarannya, dapat digunakan. Sebuah gambar struktur dalam penyelidikan dibentuk menggunakan sinar cahaya elektron bukan radiasi. Menurut mekanika kuantum, sebuah elektron kecepatan tinggi akan menjadi seperti gelombang, memiliki panjang gelombang yang berbanding terbalik dengan kecepatan. Ketika dipercepat ditegangan tinggi, elektron dapat dibuat untuk memiliki panjang gelombang di orde 0.003 nm ( 3 pm ). Pembesaran tinggi dan kekuatan menyelesaikan mikroskop ini adalah konsekuensi dari panjang gelombang pendek berkas elektron. Berkas elektron difokuskan dan gambar yang dibentuk dengan lensa magnet; sebaliknya geometri komponen mikroskop yang pada dasarnya sama dengan sistem optik. Kedua transmisi dan refleksi mode beam adalah operasi yang mungkin bagi mikroskop elektron.

14


Transmission Electron Microscopy Gambar yang dilihat dengan mikroskop elektron transmisi (TEM) dibentuk oleh berkas elektron yang melewati spesimen. Rincian fitur microstructural internal dapat diakses oleh pengamatan; kontras di gambar diproduksi oleh perbedaan dalam berkas hamburan atau Difraksi yang diproduksi antara berbagai unsur mikrostruktur atau cacat. Karena bahan padat sangat absorptif untuk berkas elektron, sebuah spesimen harus diperiksa dan harus dipersiapkan dalam bentuk lembaranl sangat tipis;

Ini memastikan transmisi melalui spesimen dari fraksi yang cukup besar dari kejadian beam. transmisikan beam ini diproyeksikan ke layar neon atau film fotografi sehingga gambar dapat dilihat. Perbesarannya mendekati 1.000.000x yang mungkin dengan transmisi mikroskop elektron , yang sering digunakan dalam studi dislokasi.

15


Scanning Electron Microscopy Alat investigasi yang lebih baru dan sangat berguna adalah mikroskop elektron scanning scaning electron microscoft (SEM). Permukaan spesimen harus diperiksa dan dipindai dengan berkas elektron, dan pantulan (atau tersebar kembali) berkas elektronnya dikumpulkan, maka ditampilkan pada tingkat pemindaian yang sama pada tabung sinar katoda (mirip dengan layar televisi CRT).Gambar pada layar, yang mungkin difoto, mewakili fitur permukaan spesimen. Permukaan mungkin atau tidak mungkin menjadi halus dan tergores, tapi harus menjadi konduktif secara elektrik; lapisan permukaan metal sangat tipis harus diterapkan ke bahan-bahan nonconductive. Perbesaran berkisar 10 sampai lebih dari 50.000 kali, seperti kedalaman bidang yang juga sangat besar. Peralatan ini memungkinkan Analisis kualitatif dan analisis semikuantitatif dari komposisi unsur pada area permukaan yang sangat lokal. Scanning Probe Microscopy Dalam satu setengah dekade, bidang mikroskop telah mengalami revolusi dengan pembentukan keluarga baru yaitu scaning probe microscopes. scaning probe microscopes ini (SPM), ada beberapa varietas, berbeda dari mikroskop optik dan elektron yang baik ringan maupun elektron digunakan untuk membentuk sebuah gambar. Sebaliknya, mikroskop menghasilkan peta topografi, pada skala atom, yang merupakan representasi dari fitur permukaan dan karakteristik dari spesimen yang sedang diperiksa. Beberapa fitur yang membedakan SPM dari teknik mikroskopis lain adalah sebagai berikut



 

Pemeriksaan pada skala nanometer mungkin di sebanyak besaran setinggi 10^9x yang mungkin; resolusi jauh lebih baik yang dapat dicapai dari pada dengan teknik mikroskopis lain. Perbesaran gambar tiga dimensi yang dihasilkan memberikan topografi informasi tentang fitur yang menarik. Beberapa SPMs dapat dioperasikan di berbagai lingkungan (misalnya, vakum, udara, cair); dengan demikian, spesimen tertentu dapat diteliti di dalam lingkungan yang paling cocok.

scaning probe microscopes menggunakan pemeriksa kecil dengan ujung yang sangat tajam yang dibawa ke dalam jarak yang sangat dekat (dengan kata lain, dalam urutan nanometer) dari permukaan spesimen. Pemeriksaan ini kemudian diteliti melewati permukaan bidang. Selama pemindaian, pengalaman pemeriksaan pembelokan pada bidang tegak lurus ini, dalam merespon elektronik atau interaksi lainny antara permukaan probe dan spesimen.

16


Gerakan di permukaan dalam bidang dan dipermukaan luar bidang probe dikendalikan oleh komponen keramik piezoelektrik (bagian 18.25) yang memiliki resolusi nanometer. Selain itu, gerakan-gerakan probe ini dipantau secara elektronik, ditransfer dan disimpan di komputer, yang kemudian menghasilkan permukaan gambar tiga dimensi. Spesifik scaning probe microscopes teknik berbeda dari satu sama lain dengan jenis interaksi yang dipantau. Sebuah gaya atom Mikrograf yang mungkin diamati pada struktur atom pada permukaan spesimen emas yng ditunjukan pada halaman 10. SPMs baru ini, memungkinkan pemeriksaan permukaan bahan pada tingkat atom dan molekul, telah memberikan banyak informasi tentang berbagai bahan, dari sirkuit terpadu chip untuk biologi molekul. Memang, munculnya SPMs telah membantu untuk mengantarkan era bahan nanomaterials, material yang sifatnya dirancang oleh teknik struktur atom dan molekul. 2.8 Grain Size Determination Ukuran butir sering ditentukan ketika sifat material polikristalin berada di bawah perhatian. Dalam hal ini, ada beberapa teknik yang ukuran yang ditentukan dalam hal volume rata-rata butir, diameter atau daerah. Ukuran butir dapat diperkirakan dengan menggunakan metode intercept, digambarkan sebagai berikut. Semua garis lurus yang sama panjang diambil melalui beberapa photomicrographs yang menunjukkan struktur butir. Butir yang disilang disetiap segmen garis yang dihitung; panjang garis kemudian dibagi dengan rata-rata jumlah butir dipotong, mengambil alih semua segmen garis. Butir yang rata-rata diameter ditemukan dengan membagi hasil ini dengan garis perbesaran photomicrographs. Mungkin metode yang paling umum digunakan, bagaimanapun, adalah bahwa dicipta oleh American Society untuk pengujian dan material (ASTM). The ASTM telah menyiapkan beberapa grafik perbandingan standar, semua memiliki rata-rata ukuran butir yang berbeda-beda. Untuk masing-masing diberi nomor mulai dari 1 sampai 10, yang dipanggil jumlah ukuran butir (grain size number). Spesimen harus disiapkan dengan benar untuk mengungkapkan struktur butir, yang difoto pada pembesaran 100x. Ukuran butir dinyatakan sebagai jumlah ukuran butir dengan grafik yang paling hampir cocok dengan butir di mikrograf. Dengan demikian, penetapan visual relatif sederhana dan sesuai jumlah ukuran butir yang mungkin. Jumlah ukuran butir digunakan secara ekstensif dalam spesifikasi baja. Alasan di balik penugasan jumlah ukuran butir untuk berbagai grafik ini adalah sebagai berikut. Biarkan n mewakili jumlah ukuran butir, dan N rata-rata jumlah

17


butir per inci persegi pada pembesaran 100x. Kedua parameter yang berhubungan dengan satu sama lain ini diekspresikan melalui:

BAB III PENUTUP 3.1 Simpulan Dari pembahasan makalah ini, dapat disimpulkan beberapa hal berikut : a. Vacancies dan Self-interstitial

Kristal ideal yang sempurna tidak ada, setiap kristal akan memiliki sejumlah variasi cacat Kristal. Pengelompokan cacat Kristal didasarkan pada

b.

c.

d.

e.

f.

geometri dan ukuranya. Cacat Kristal yang berhubungan dengan satu atau dua posisi atom terdiri dari vacancies (kekosongan), self-interstitial (sisipan celah) dan ketakmurnian atom (pengotor). Impurities in Solids (ketakmurnian dalam atom) Solid solution (larutan padat) terbentuk ketika atom ketakmurnian dimasukan dalam material solid, tetapi tidak merubah struktur asli Kristal dan tidak ada fase baru yang terbentuk. Pada larutan padat, kelarutan akan besar jika antara solute dan solvent memiliki diameter, keelektronegatifan, struktur kristal yang sama juga jika atom ketakmurnian memiliki electron valensi yang sama atau lebih kecil dari host material. For substitutional solid solutions, impurity atoms substitute for host atoms, Specification of Composition Komposisi atom dalam alloy dinyatakan oleh weight percent (persen berat) atau atom percent (persen atom). Persen berat dihitung oleh perbandingan berat atom constituent terhadap berat total alloy. Present atom dihitung dengan membandingkan jumlah mole setiap constituent terhadap mol total semua elemen dalam alloy. Dislocations—Linear Defects (Dislokasi – cacat garis) Dislokasi adlah cacat Kristal satu dimensi yang terdiri dari dua tipe : edge (ujung) dan screw (ulir). Cacat edge (ujung) berupa distorsi kisi di ujung setengah bidang atom tambahan. Cacat screw (ulir) berupa jalur datar berbentuk heliks. Dislokasi mixed (campuran) terdiri dari cacat edge dan screw. Besar dan arah distorsi kisi yang berasosiasi dengan dislokasi dinyatakan dengan vector burger. Orientasi vector Burger dan dislokasi garis berbentuk 1) tegak lurus untuk cacat edge (ujung) , 2) parallel untuk cacat screw (ulir) 3) tidak tegak lurus maupun parallel untuk mixed (cacat campuran). Interfacial Defects Bulk or Volume Defects Atomic Vibrations Jenis cacat Kristal lainya berupa cacat interfacial ( external surface (permukaan luar), grain boundaries (batas bulir), batas kembar ), cacat volume (retak, poripori) dan vibrasi atom. Microscopic Techniques

18


Cacat Kristal dan struktur elemen material berukuran mikroskopis dan perlu bantuan mikroskop. Mikroskop yang digunakan berupa mikroskop optic dan mikroskop electron, mikroskop electron terdiri dari TEM dan SEM. g. Grain Size Determination Ukuran bulir material polikristal sering diukur dengan teknik photomicro-grafic.

3.2 Saran Adapun saran : 1. Baiknya ditambah referensi terpercaya lain, untuk melengkapi materi. 2. Diperlukan pengkajian lebih dalam agar pemahaman lebih jelas.

19


Daftar Pustaka Callister, William Jr. 2007. Material Science and Engineering , an Introduction. John Wiley and Sons : United states of America

20

Cacat dalam Zat Padat

Recommend Documents